2023年4月19日发(作者：溶解度教案)可调谐激光吸收光谱光纤甲烷传感器研究 曹家年;张可可;王琢;杨蕊 【摘要】甲烷光谱吸收与气室属鸡和属羊
温度有关,结合甲烷波长1 653.72nm附近2v3带 R(3)支的3条吸收线,分析温度波动对甲烷吸收线的谱线特性及气体浓度反演产生 的影响.基于可调谐二极管激光吸收光谱设计了一套带温度信号采集装置的甲烷浓 度检测系统,利用校准系数将不同温度下检测得到的二次谐波信号转化为参考温度 下的标准信号,反演待测气体浓度.研究表明,气室温度在-20-60 ℃范围内波动时,系 统的测量误差可控制在1%以内,提高了系统的检测精度.%The temperature of the gas cell is an issue in the spectroscopy absorption of methane. Combination of the three absorption lines in the R(3) transitions of the 2v3 band of methane at 1 653.72 nm, the influence of temperature fluctuations on the spectral characteristics, and the concentration retrieval were analyzed. A simple piece of equipment with 一次旅行
temperature acquisition devices bad on tunable diode lar absorption spectroscopy was developed for measuring the concentration of methane. Using the calibration coefficient, the amplitudes of the cond harmonic at varying temperatures were transformed into standard signals at reference temperature to retrieve methane concentration. In the range of -20～60 ℃, the restlts show that measurement error can be controlled within 1％ and detection accuracy is significantly improved. 【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》 【年(卷),期】2011(032)003
考虑到温度波动的影响，进行气体浓度反演时，不同温度下检测得到的二次谐波信 号幅值需转化为参考温度下的标准信号.由式(5)，二次谐波幅值为 由式(4)可得 由式(17)，二次谐波幅值在谱线中心=0处取得最大值，其值为 将式(18)代入式(16)，得到待测气体的浓度为金牛角王
图5 不同温度下校准前浓度反演结果Fig.5 Concentration retrieval before the amendment at different temperatures 对于浓度、吸收路径长度和频率调制幅度均相同的待测气体，吸收气室内气体温度 的波动会使检测得到的谐波幅值发生变化，若此时直接利用检测得到的二次谐波幅 值进行浓度反演将产生较大误差.当环境温度发生变化，利用校准系数将检测得到 的二次谐波幅值转换为标定状态下的谐波幅值后再进行浓度反演.校准系数为 由式(15)可得，在参考温度附近校准系数拟合为 校准后的二次谐波幅值为 将式(22)代入式(19)，在不同温度下可利用标定数据反演出待测气体的浓度: 式中，(T0)、0(T0)为参考温度下吸收线的半高半宽和吸收系数. 在气室中充入浓度为3 00010－6的标准气体，表2中为气室处于8组不同的温
度状态时，利用校准系数对系统进行校准前后的检测得到的浓度值.在同一温度状 态下，测量50次取平均值.由表2可以看出，未校准前系统测量值与实际值的偏差 很大，校准后系统测量值与实际值的偏差在1%以内，通过校准可以有效地抑制温 度波动对检测系统的影响. 表2 不同温度下的浓度检测数据及分析Table 2 Concentration detection date and analysis at different temperatures温度/℃ 未校准10－6相对误差/%－ 10相对误差/%校准后10－6 081 5 22 30 40 47 4 157 3 753 3 466 3 238 3 029 2 812 2 568 2 413 38.6 25.1 15.5 7.93 0.97－6.27－14.4－19.6 2 978 3 013 3 026 3 008 3 017 2 989 3 012 3 004－0.73 0.43 0.87 0.27 0.57－0.37 0.40 0.13 设置气体浓度检测系统量程为5 00010－6，试验中向气室中分别充入浓度为 50010－6、1 000 10－6、1 50010－6…5 00010－6的甲烷气体，检测 得到不同浓度下甲烷气体的二次谐波信号，为了减少系统随机噪声引入的误差，对 采样得到的二次谐波信号进行多次采样取平均. 利用最小二乘法对实际测量得到的电压值与理论浓度值进行做线性拟合［12］， 其拟合方程为 图6为气室内温度发生波动时，实际测量的甲烷二次谐波信号幅值与浓度的线性 关系，其线性拟合系数为r=0.999 8，在该浓度范围内二次谐波信号的幅值与甲烷 的浓度呈现很好的线性关系，证明该实验方案能够消除温度波动的影响，实现痕量 甲烷气体浓度检测. 图6 二次谐波幅值与气体浓度线性度Fig.6 The linearity of the intensity of the cond harmonic signals with the concentratio登录华为云服务
ns 5 结束语
实验结果表明，在－20～60℃温度范围内，系统采用校准系数可使测量误差控制 在1%以内，有效地抑制了气室温度波动的影响，提高系统的检测精度.由于温度传 感器存在测量偏差，在实际应用中难以准确获得气室的有效温度，同时HITRAN 数据库中的谱线参数与实际参数之间存在偏差，相对于利用参考气室的温度自适应 方案，校准系数法的精度还有待提高，但该方案在系统实现上更为简单.该系统可 用于多种气体(如CO2、CO、NO、NO2和CH4等)的浓度检测，有很大的应用 前景. 参考文献: 【相关文献】 ［1］崔厚欣，齐汝宾，陈文亮，等.可调谐激光波长调制技术检测氧气浓度［J］.中国激光，2008， 35(10):1558-1562. CUI Houxin，QI Rubin，CHEN Wenliang，e岳钟琪
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